0、引言
帶式輸送機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。隨著帶式輸送機(jī)向大型化方向發(fā)展，對大型輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)和自動化設(shè)計(jì)系統(tǒng)提出了更高要求，應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)將大大提高輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的自動化和優(yōu)化。
本文應(yīng)用最新的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，開發(fā)基于CEMA標(biāo)準(zhǔn)的大型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)技術(shù)，將輸送機(jī)的設(shè)計(jì)功能及結(jié)構(gòu)部件模塊化，依據(jù)最新的CEMA標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)流程，對輸送機(jī)系統(tǒng)各部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括初始圖形建模、整體布置、參數(shù)計(jì)算分析、校核以及輔助選型等。應(yīng)用可視化動態(tài)圖形組件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，具有動態(tài)圖形化輸送機(jī)側(cè)形設(shè)計(jì)、建模和強(qiáng)大的部件數(shù)據(jù)庫及庫管理功能，能夠進(jìn)行輸送機(jī)關(guān)鍵部件的優(yōu)化選型和參數(shù)分析、可視化計(jì)算和校核。實(shí)際應(yīng)用表明采用本系統(tǒng)進(jìn)行大型帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)質(zhì)量大大提高，設(shè)計(jì)周期縮短，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程的自動化和設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化。
1、輸送機(jī)系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)流程
1.1輸送機(jī)系統(tǒng)
輸送機(jī)系統(tǒng)是一種應(yīng)用極為廣泛的復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)。主要由輸送帶、進(jìn)料裝置、拉緊裝置、滾筒、托輥、卸料裝置、電機(jī)和清掃器等組成。如圖l所示為幾種典型的水平運(yùn)輸?shù)妮斔蜋C(jī)系統(tǒng)布置圖。
1.2輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程
輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括：
(1)輸送機(jī)側(cè)形設(shè)計(jì)。
(2)根據(jù)物料參數(shù)和運(yùn)量要求確定驅(qū)動形式、輸送帶（帶寬、帶速、類型及上下覆蓋膠厚度）、托輥（結(jié)構(gòu)、輥徑、數(shù)目等）、滾筒（類型、直徑、包角等）。
(3)計(jì)算張力和功率。
(4)確定電機(jī)數(shù)量、制動器、拉緊裝置、清掃器。
輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程如圖2所示。
1.3輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是隨著輸送機(jī)運(yùn)量、運(yùn)速和運(yùn)距的提高，大型帶式輸送機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用出現(xiàn)了一些嚴(yán)重問題，如跑偏、縱向褶皺、漂帶、動力故障等。因此，在大型輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，必須應(yīng)用先進(jìn)的分析系統(tǒng)，結(jié)合CAD技術(shù)對其基本運(yùn)動、受力和強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)地計(jì)算分析，并進(jìn)行更加細(xì)致深入的動態(tài)響應(yīng)仿真計(jì)算和分析，以便對實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行深入研究，提供最佳解決方案，促進(jìn)輸送機(jī)向安全、穩(wěn)定、高效、節(jié)能方向發(fā)展。
帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有很多種，如國際標(biāo)準(zhǔn)IS05048，美國標(biāo)準(zhǔn)CEMA，德國標(biāo)準(zhǔn)DIN22101，以及我國的GB/T17119 - 1997等等。
1.4輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)
在設(shè)計(jì)之前需要充分了解對設(shè)備的要求，這些要求就是設(shè)計(jì)的依據(jù)。主要包括：(1)運(yùn)量：料流均勻時能夠直接給出運(yùn)量；料流不均勻時可以考慮給出料流量的基本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)濟(jì)分析確定是否增設(shè)料倉。(2)輸送機(jī)線路的詳細(xì)尺寸：包括最大長度、傾角及提升高度，直線段、曲線段的尺寸和連接尺寸等。(3)物料的性質(zhì)：松散密度、安息角、物料的粒度和最大塊度情況（塊度的均勻適度是否經(jīng)過篩分）、物料的濕度、磨損性、粘結(jié)性和摩擦系數(shù)。(4)工作條件和環(huán)境狀況：露天或室內(nèi)、環(huán)境濕度、環(huán)保要求、移動或固定、伸縮要求。(5)給料和卸料方法。(6)工作制度：每天的運(yùn)轉(zhuǎn)時間、每年的工作天數(shù)、輸送機(jī)的服務(wù)年限要求等。(7)設(shè)計(jì)要求：輸送帶的最大撓度要求、運(yùn)行阻力系數(shù)、輸送帶和滾筒的摩擦系數(shù)、輸送帶的安全系數(shù)。
2、設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)及功能
帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，涉及大量數(shù)據(jù)的儲存和管理。因此，研究開發(fā)基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，需采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)和具有圖形功能的、方便易用的、所見即所得的、具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫管理功能的開發(fā)環(huán)境。
2.1開發(fā)環(huán)境
本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用C++語言作為編程語言。運(yùn)用C++語言面向?qū)ο蟆⒖梢暬焖賾?yīng)用程序開發(fā)和直接數(shù)據(jù)庫訪問等特點(diǎn)，開發(fā)基于Windows操作系統(tǒng)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件。
帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)中涉及大量標(biāo)準(zhǔn)及其選型數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)采用基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的軟件開發(fā)方法。數(shù)據(jù)庫采用微軟的Access數(shù)據(jù)庫。Access數(shù)據(jù)庫屬于文件型數(shù)據(jù)庫，對操作系統(tǒng)要求低，每個數(shù)據(jù)庫文件可以包括多個數(shù)據(jù)表，操作使用方便。系統(tǒng)使用了2個數(shù)據(jù)庫文件。一個是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫文件，用于保存CEMA標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、部件型表和設(shè)計(jì)模板等，供設(shè)計(jì)選型使用。另一個是項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫文件，為每個設(shè)計(jì)項(xiàng)目創(chuàng)建，用于保存該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)參數(shù)、分析棋型和計(jì)算分析結(jié)果數(shù)據(jù)等。
2.2軟件結(jié)構(gòu)
本設(shè)計(jì)軟件的最終目的就是要實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)各部件的最優(yōu)選擇、張力的最優(yōu)分配、功率的最優(yōu)配置等，成為一套完整的輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件。
按功能來劃分模塊，設(shè)有一個主模塊。主模塊通過調(diào)用關(guān)系將其他模塊組織起來，同時通過全局變量和數(shù)據(jù)庫將各個模塊聯(lián)系起來。
2.3側(cè)形設(shè)計(jì)
確定現(xiàn)場工作條件和輸送物料后，根據(jù)地形和物料屬性利用計(jì)算機(jī)圖像處理和圖形建模技術(shù)建立輸送系統(tǒng)模型，即側(cè)形設(shè)計(jì)，模擬輸送機(jī)工作過程。根據(jù)輸送機(jī)幾何尺寸、傳動滾筒數(shù)量、拉緊裝置結(jié)構(gòu)和卸料方式的不同，可布置成多種側(cè)形。
側(cè)形設(shè)計(jì)建立了常用輸送機(jī)零部件的動畫組件，包括輸送帶、料斗、驅(qū)動滾筒、改向滾筒、壓面滾筒、翻帶裝置等，如圖4所示。對輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真，形象地展示所設(shè)計(jì)的輸送機(jī)在啟動、額定運(yùn)行、停機(jī)和制動等工況下的運(yùn)行情況。確定側(cè)形設(shè)計(jì)后，將結(jié)果導(dǎo)入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫供后續(xù)設(shè)計(jì)計(jì)算用，即產(chǎn)生主界面中的“分段”數(shù)據(jù)。
2.4輸送帶設(shè)計(jì)
輸送帶設(shè)計(jì)界面（圖略），主要對輸送帶的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定輸送帶型號。“用戶輸入?yún)^(qū)”的參數(shù)需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)側(cè)形設(shè)計(jì)和物料要求來確定，包括設(shè)計(jì)運(yùn)量、中間輥輸送帶差值、帶速、帶寬、上下覆層厚度、允許下垂度等參數(shù)。或在“數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入?yún)^(qū)”打開輸送帶數(shù)據(jù)庫，初步選定輸送帶型號，并將選定參數(shù)導(dǎo)入輸送帶設(shè)計(jì)界面。該輸送機(jī)部件數(shù)據(jù)庫中包含世界各國有關(guān)輸送機(jī)部件的大量數(shù)據(jù)，可以直接選用，也可以自行通過數(shù)據(jù)庫管理界面建立自己的數(shù)據(jù)庫。
經(jīng)計(jì)算可以得到帶重、額定張力、導(dǎo)料槽寬度系數(shù)、導(dǎo)料槽物料深度、物料重量、輸送帶標(biāo)準(zhǔn)邊角距、輸送帶實(shí)際邊角距、滿載運(yùn)量等參數(shù)。
2.5驅(qū)動設(shè)計(jì)
驅(qū)動設(shè)計(jì)界面如圖5所示，主要對驅(qū)動的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。所有值的改變都會刷新數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表，且可以實(shí)時在界面上方的表格中顯示出來。主要驅(qū)動參數(shù)包括：驅(qū)動序號、滾筒工況、包面類型、載荷比例、啟動轉(zhuǎn)矩系數(shù)等。
經(jīng)計(jì)算、校核得到冬、夏季輸送機(jī)滿載、空載或定載時，承載段和回程段啟動、平穩(wěn)運(yùn)行、自由停機(jī)、制動等工況下的張力曲線，以及輸送帶、托輥、滾筒、驅(qū)動電機(jī)、制動器、拉緊裝置和清掃器等設(shè)備參數(shù)，輔助選型，為采購設(shè)備提供依據(jù)。結(jié)果匯總?cè)鐖D6所示。
此外，本軟件提供帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)中常用的計(jì)算工具，如卸料軌道、進(jìn)料阻力與功耗、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒包角系數(shù)、軸承壽命等，方便設(shè)計(jì)者在整體設(shè)計(jì)時進(jìn)行具體設(shè)備的詳細(xì)計(jì)算。
3、算例驗(yàn)證
以CEMA標(biāo)準(zhǔn)中給出的雙驅(qū)動算例為例，應(yīng)用本文開發(fā)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
工程基本參數(shù)如下：
(1)輸送機(jī)長度l 220 m，提升高度21 m。
(2)物料：石灰石，密度l 365 kg/m3，運(yùn)量726t/h。
(”帶寬1 000 mm，帶速2m/s，帶重15 kg，m。
(4)上托輥：輥徑152 mm，槽角200，間距1.2 m。
(5)下托輥：輥徑152 mm，槽角00，間距3m。
(6)驅(qū)動裝置：雙滾筒，包角3800。
將上述參數(shù)輸入到帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和分析比較。
根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對參數(shù)做相應(yīng)的添加，經(jīng)計(jì)算得出滿載運(yùn)量是1060 t/h，即輸送機(jī)能夠滿足需要。另外輸送帶實(shí)際邊角距為145咖，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)邊角距78mm。說明輸送帶初選符合工程要求。
張力計(jì)算結(jié)果如表l所示。可以看出，軟件計(jì)算的有效張力與CEMA文獻(xiàn)中給出的結(jié)果是一致的，最大張力相差不大，說明本系統(tǒng)軟件的計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。
圖7為啟動和額定運(yùn)行時的張力曲線。分析可知，在承載段和回程段沿輸送帶運(yùn)行方向，張力逐步增大，在頭部位置達(dá)到最大，符合水平或向上傾斜輸送機(jī)的張力特點(diǎn)，與文獻(xiàn)中給出的關(guān)于此例的張力曲線一致。
通過以上實(shí)例驗(yàn)證，表明本文開發(fā)的大型帶式輸送機(jī)通用設(shè)計(jì)系統(tǒng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)CEMA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輸送機(jī)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，能夠應(yīng)用于實(shí)際工程的設(shè)計(jì)。
4、結(jié)語
大運(yùn)量、高帶速和長距離帶式輸送機(jī)的應(yīng)用符合現(xiàn)代化工業(yè)需要，對大型輸送機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)提出了更高要求，應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析技術(shù)和系統(tǒng)軟件，是設(shè)計(jì)安全、穩(wěn)定、高效和節(jié)能的輸送機(jī)的需要。
本文將CAD技術(shù)應(yīng)用于帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)，開發(fā)了完整的帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮慕M件技術(shù)，建立可視化動態(tài)圖形組件，將設(shè)計(jì)功能和部件設(shè)計(jì)選型全部模塊化，實(shí)現(xiàn)了可視化動態(tài)側(cè)形建模、計(jì)算校核、模型驗(yàn)證等功能。
相關(guān)輸送機(jī)產(chǎn)品：
1、
皮帶輸送機(jī)
2、
刮板輸送機(jī)
3、
斗式提升機(jī)
